像化學家一樣思考，像環評師一樣行動

馬皎

摘要：化工生產教學的核心是將基礎理論與生產實踐有機結合，并在科技不斷進步的大環境下，向學生展現傳統工藝到技術革新工藝的發展歷程。而化學學科核心素養能十分恰當地滲透入化工生產教學的各個環節。介紹結合實際教學進行的實踐研究。

關鍵詞：高中化學；化工生產；核心素養；課堂教學

文章編號：1008-0546（2022）01-0055-05中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.01.014

現代化學工程是將化學研究轉化為生產力的重要途徑之一。化工生產教學要求學生綜合運用基本理論知識和元素化學知識對化工生產路線進行設計、評價和改進，而真實、具體的問題情境是學生化學學科核心素養形成和發展的重要平臺。本文嘗試通過創設真實且富有價值的問題情境：“如何制備食品添加劑亞硫酸鈉？”，促進學生化學學科核心素養的形成和發展，以此進行教學實踐探索。

一、化工生產教學中核心素養的構建

化學工業是一個高速發展的行業，為人們所熟悉的傳統工藝不斷地受到新技術的挑戰，因此在化工生產教學中講授傳統工藝時，將現代技術的應用適時地補充進教學內容，以促進人才向高深層次發展、培育學生高階思維能力。

1.基于化學核心素養的教學目標制定

化學學科核心素養是從化學學科角度，為了促進學生終身發展、科學社會和適應社會需求而提出的，是由化學課程抽提而成的學科必備品質與關鍵能力，它比三維目標更加具體化、功能化和整合化[1]。本課題設計的素養目標（見表1）：

2.基于化學核心素養的教材內容分析

本課的內容為高三化學第二學期化工生產專題的復習和拓展課。化工生產是課本知識與現實情境有效結合的典型實例，需要依靠元素化學知識網絡圖構建反應原理，需要根據目標產品的特點和經濟效益設計合理的工藝流程，需要分析和處理相關數據獲得較純的產品。本節課旨在依托現實情境，復習二氧化硫制備亞硫酸鈉的反應，并結合亞硫酸鈉易被氧化和水解的知識解釋生產過程中的工藝特點。復習聯合制堿法，并通過與純堿工業流程圖的對比，給出合理的解釋和猜想。

在普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）中[2]，本節課的相關內容在選修課程系列1《化學（實驗化學）》的主題3：化工生產過程模擬實驗中提到，以真實的化工生產過程為研究對象，借助相關資料對化工生產的原理、流程進行復原和模擬。在選修課程系列2《化學（化學與社會）》的主題2：化學與技術提到，了解精細化工產品的生產及其生產過程中的工藝特點，體驗如何根據物質的性質開發應用前景廣闊的產品，認識化工生產過程對人類環境的可持續發展可能產生的影響。

學生已系統復習了硫元素及其化合物、純堿化工生產的知識，能結合反應原理對不同的反應路線進行簡單評價，能分析簡單的流程圖。但缺乏將元素化學知識與化工生產相聯系的思維模型的構建路徑，綜合情境的實際應用能力還有待加強。

本課對學生基于現實問題的分析、推測、解釋的綜合能力的培養有較高的要求。

3.基于化學核心素養的教學策略選擇

一是教學情境生活化。將化學知識遷移和應用到實際的生活情境中，培養學生解決實際問題的能力，重視學習內容與學習者的生活情境進行統一整合的重要性。本課引入部分向學生展示亞硫酸鈉的各種用途，其中與學生密切相關的是各類食品包裝袋上寫有亞硫酸鈉的食品添加劑，了解化學品對人類生產和生活的積極意義，并結合亞硫酸鈉的危害，建立安全意識，從而滲透“科學態度與社會責任”這一維度。

二是知識體系結構化。教科書的問題大多是碎片化的知識。要產生知識的融合，需要通過教學設計呈現系列問題鏈。在應對綜合問題的過程中，學生會發現習得化學知識的重要性。本課題設計問題鏈：如何制備亞硫酸鈉？→在制備過程中要考慮亞硫酸鈉的哪些性質？→化工生產需要考慮哪些因素？→如何評價燒堿法和純堿法？→如何改進工藝？→如何模仿侯氏制堿法得到亞硫酸鈉？從而構建完整的知識體系，滲透“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”和“科學態度與社會責任”這三個維度。

三是思維訓練階梯化。“核心素養”應該是在問題情境中借助問題解決的實踐培育起來的。培育思維能力的重點在于如何才能創造引發思考的情境和深入思考的必然性。思維唯有當思維活動產生之際，學生才能作為一種經驗，得以感悟。本課題通過設計教學環節，一步步提升學生的思維容量和深度，使學生學有所得，真正提升化學學科核心素養。

4.基于化學核心素養的教學流程設計

真實、具體的問題情境是學生化學學科核心素養形成和發展的重要平臺。本節課嘗試通過創設真實且富有價值的問題情境，促進學生化學學科核心素養的形成和發展。

本課以亞硫酸鈉制備作為主線，復習以二氧化硫為反應物生成亞硫酸鈉的化學反應，并結合化工生產考慮要素對燒堿法和純堿法進行對比和評價，培養學生分析現實問題的能力。通過簡單工藝流程圖的繪制，提高學生綜合分析反應原理的能力。通過給定的信息和數據，并結合侯氏制堿法的生產工藝，分析得到食鹽法制亞硫酸鈉的合理工藝流程，培養學生的數據處理能力和創新意識。

二、基于學科核心素養的教學實踐片段

教學活動流程見表2。

1.創設情境引入課程

入口就是大事，食品安全問題始終牽動著老百姓敏感的神經。蘇丹紅、瘦肉精、三聚氰胺，這些非法添加物被一些人誤認為是食品添加劑，而且越抹越黑，從而讓人對食品添加劑產生一種恐慌心理。所以本課題選擇用途非常廣泛的食品添加劑亞硫酸鈉貫穿主線，學生在完成本課的學習后，能正確地看待充斥我們身邊的食品添加劑。其實我們誤解了食品添加劑，只要我們按照規定合理使用，它們是非常“友好”的，而且讓我們的生活變得越來越美好。

因此在本課的前期準備過程中，教師搜羅了大量印有食品添加劑“亞硫酸鈉”字樣的食品包裝袋。比如“呀！土豆”等膨化食品、“蜜棗”等干果類食品、“菜園小餅”等干點類食品。

本課一開始就向學生展示了上述食品包裝袋并分發下去，引起了學生極大的興趣和探究欲，班級氛圍馬上活躍起來了。接著告訴學生亞硫酸鈉是國家允許使用、用途廣泛的食品添加劑，可用作食品加工的漂白劑、防腐劑、疏松劑、抗氧化劑、護色劑和保鮮劑。亞硫酸鈉是一種多酚氧化酶（PPO）活性抑制劑，可有效保護水果和蔬菜的褐變，提高它們的附加值。亞硫酸鈉還在水處理行業中對水中溶解氧進行脫除。學生聽了頻頻點頭，說明教師的正面引導起到了作用。但凡事都有兩面，學生要客觀分析，得出合理的結論。所以教師拋出問題：“那我們是否可以無限地添加亞硫酸鈉呢？”學生思考后紛紛搖頭。教師提供數據告訴學生隨著研究的深入，亞硫酸鈉的毒性日益受到關注。我國國家標準對亞硫酸鈉的使用范圍、最大使用量和殘留量均有明確規定。設計的目的是發展學生“科學態度與社會責任”的化學學科核心素養，正確認識“友好”的食品添加劑。

2.統籌兼顧評價路線

教師順水推舟提問學生：“既然亞硫酸鈉的使用如此廣泛，那利用我們已有的化學知識，我們怎么制備呢？從哪個基本反應類型入手？”學生回答兩個常見反應：

SO2+2NaOH=Na2SO3+H2O和SO2+Na2CO3= CO2+Na2SO3。教師告訴學生工業上將這兩種路線稱為燒堿法和純堿法，讓學生感悟化學就在身邊，自己也能根據已學習的化學知識設計出實際工業生產原理。教師追問：“如果我們想利用這兩個反應來模擬工業生產亞硫酸鈉，我們可以從哪些方面來分析這兩種制備原理的優劣？”學生通過激烈的討論不斷地完善思考角度，如原料成本，反應條件，反應步驟，產品的產量，產品的純度，環境友好。教師提供原料數據（見表3）為學生的討論提供依據，讓學生理解化學是一門實驗科學，是一門基于實驗數據的科學，建立學生正確的科學觀。

教師嘗試引導學生根據已有化學知識評價兩種路線，比如氫氧化鈉比較貴，原料成本較高；碳酸鈉吸收二氧化硫的能力比較弱，吸收效率低。此外還要根據“綠色化學”思想評價兩種路線，比如氫氧化鈉不會產生廢氣，對環境比較友好；碳酸鈉會產生二氧化碳，排入空中會造成溫室效應，對環境造成影響。我國已經提出到2060年實現碳中和，說明二氧化碳廢氣的處理是當下的重要方式。學生踴躍舉手回答，工廠可以將廢氣轉化為有用的副產品，在保護環境的基礎上提高工廠的綜合效益。說明統籌兼顧，提高效益的理念已經在教師的引導過程中滲透入學生的思考和觀點中。

學生以小組為單位，繪制出燒堿法和純堿法的工藝流程圖，派代表上講臺闡述，提升學生的邏輯思維能力和語言表達能力，綜合培育學生的科學探究與創新意識以及科學態度和社會責任（見表4）。

3.頭腦風暴迎接挑戰

學生以為已經解決教師提出的命題，剛要放松，沒想到教師繼續提問：“我們剛才用純堿法制亞硫酸鈉，那純堿是怎么制來的？會不會有工廠直接使用純堿工業的原料制備亞硫酸鈉呢？再說亞硫酸鈉和碳酸鈉的化學性質如此相似。”而且這次教師完全放手，讓學生小組合作綜合分析食鹽法原料的數據信息（見表5），模仿侯氏制堿法設計并完善工藝流程圖，派代表上講臺展示成果（見圖1）。

學生討論得非常熱烈，大有把課堂營造成工廠研發部的架勢。他們正在用化學家的科學知識角度分析各個環節，在頭腦風暴中尋找最佳方案；他們正在用環評師的環境友好角度分析廢氣母液的處理，力求達到綜合效益的最大化和可持續發展目標。

在展示階段，學生提出許多非常有深度和可操作性的建議和規劃，能自主對路線進行分析和優化，同時，運用極具理科思維的“證據推理與模型認知”闡述觀點：選擇成本更低的氯化鈉為原料，通過調整通入的二氧化硫和氨氣的順序直接從溶液中獲得亞硫酸鈉結晶。通過對母液的處理，獲得有用的副產品氯化銨，循環利用母液，提高了氯化鈉的利用率。有理有據，令人信服。

這符合十九大提出的“落實立德樹人根本任務，發展學生核心素養”。此時，化學學科核心素養已達到最高層次，即科學態度與社會責任。

4.回顧總結提升主題

本課的最后，教師對整節課進行回顧和總結：今天我們以化工廠技術人員的身份統籌兼顧了化工生產的各個方面對“友好”的食品添加劑亞硫酸鈉的制備工藝進行了設計和改進，并嘗試繪制和合理分析簡易的工藝流程圖。看似簡單的無機物制備流程中蘊藏著大大小小的學問。然而探索是沒有止境的，我們的科研人員一直在不斷地尋找更有效更環保的工藝流程。希望同學們在“化學”之外，在今后的學習和生活中，也能運用統籌兼顧的思想，繪制出自己人生的流程圖，一步步迎接更好的自己。學生們似乎還沉浸在之前熱烈的討論中，儼然一個個斗志昂揚的化學家和環評師。

為了檢驗學生的課堂學習成果，教師繼續提供圖表數據（見表6）讓學生進行課后思考，作為課堂的延續。請同學們結合溶解度數據，尋找合適的從溶液中獲得亞硫酸鈉粗品的方法，并設計方案進一步測定粗品中亞硫酸鈉的純度。

三、反思和結語

化工生產與學生的生活息息相關，但工藝流程離學生又相對遙遠。如何將學生已有的理論知識與生產實踐有機結合落實雙基？如何在方案評價和優化教學中發展學生的認知水平？如何將化學核心素養真正落實到高三教學中并訓練學生的高階思維？本課題對此進行了積極的嘗試，從理解、應用、評價、創造四個方面逐步培養學生的類比和遷移能力。

參考文獻

[1]劉翠.基于學科核心素養的化學教學課例研究[M].上海：華東師范大學出版社，2019.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.